電式壓力傳感器原理簡(jiǎn)介：
 
壓電式壓力傳感器是利用正壓電效應(yīng)制成的。正壓電效應(yīng)是指：晶體是各向異性的,非晶體是各向同性的,當(dāng)晶體受到某固定方向外力的作用時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)外力作用方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。這就是所謂的極化效應(yīng)。科學(xué)家就是根據(jù)這個(gè)效應(yīng)研制出了壓力傳感器。
 
壓電效應(yīng)是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量,因?yàn)榻?jīng)過(guò)外力作用后的電荷,只有在回路具有無(wú)限大的輸入阻抗時(shí)才得到保存。所以這決定了壓電傳感器只能夠測(cè)量動(dòng)態(tài)的應(yīng)力。壓電傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等的測(cè)量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計(jì)。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)異的特點(diǎn)。

 

壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺其中石英(二氧化硅)是一種天然晶體,壓電效應(yīng)就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的,在一定的溫度范圍之內(nèi),壓電性質(zhì)一直存在,但溫度超過(guò)這個(gè)范圍之后,壓電性質(zhì)完全消失(這個(gè)高溫就是所謂的“居里點(diǎn)”)。由于隨著應(yīng)力的變化電場(chǎng)變化微小(也就說(shuō)壓電系數(shù)比較低),所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數(shù),但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應(yīng)用。磷酸二氫胺屬于人造晶體,能夠承受高溫和相當(dāng)高的濕度,所以已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

 

基于壓電效應(yīng)的壓力傳感器。它的種類和型號(hào)繁多，按彈性敏感元件和受力機(jī)構(gòu)的形式可分為膜片式和活塞式兩類。膜片式主要由本體、膜片和壓電元件組成（見圖）。壓電元件支撐于本體上，由膜片將被測(cè)壓力傳遞給壓電元件，再由壓電元件輸出與被測(cè)壓力成一定關(guān)系的電信號(hào)(見壓電式傳感器)。這種傳感器的特點(diǎn)是體積小、動(dòng)態(tài)特性好、耐高溫等?，F(xiàn)代測(cè)量技術(shù)對(duì)傳感器的性能出越來(lái)越高的要求。
壓電式傳感器正壓電效應(yīng)
某些物質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ浼恿Χ蛊渥冃螘r(shí)，在一定表面上將產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新回到正常的不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng) 。

壓電式傳感器逆壓電效應(yīng)

如果在這些物質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng)，這些物質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機(jī) 械變形或機(jī)械應(yīng)力，當(dāng)外電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失，這種現(xiàn) 象稱之為逆壓電效應(yīng)，或稱之為電致伸縮效應(yīng)。

壓電式傳感器壓電材料

明顯呈現(xiàn)壓電效應(yīng)的敏感功能材料叫壓電材料 。
它可分為壓電單晶、壓電多晶和有機(jī)壓電材料。壓電式傳感器中用得最多的是屬于壓電多晶的各類壓電陶瓷和壓電單晶中的石英晶體。
壓電單晶體，如石英、酒石酸鉀鈉等；
多晶壓電陶瓷， 如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈮鎂酸鉛等，又稱為壓電陶瓷。壓電陶瓷的優(yōu)點(diǎn)是燒制方便、易成型、耐濕、耐高溫。缺點(diǎn)是具有熱釋電性，會(huì)對(duì)力學(xué)量測(cè)量造成干擾。
有機(jī)壓電材料有聚二氟乙烯、聚氟乙烯、尼龍等十余種高分子材料。有機(jī)壓電材料可大量生產(chǎn)和制成較大的面積,它與空氣的聲阻匹配具有獨(dú)特的優(yōu)越性,是很有發(fā)展?jié)摿Φ男滦碗娐暡牧稀?br />

壓電式傳感器主要參數(shù)                    

（1）壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù), 它直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度。
（2）壓電材料的彈性常數(shù)、 剛度決定著壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。
（3）對(duì)于一定形狀、 尺寸的壓電元件, 其固有電容與介電常數(shù)有關(guān); 而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。
（4）在壓電效應(yīng)中,機(jī)械耦合系數(shù)等于轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機(jī)械能）之比的平方根; 它是衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù)。
（5）壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏, 從而改善壓電傳感器的低頻特性。
（6）壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點(diǎn)溫度。

壓電式傳感器壓電轉(zhuǎn)換

壓電關(guān)系表達(dá)式：Q=d*F，其中d：壓電常數(shù)
更一般表達(dá)式：電荷密度q　 ，（用單位面積受力表示）
其中：i=1,2,3表示晶體極化方向，指的是與產(chǎn)生電荷的面垂直的方向；j=1,2,3,4,5,6表示受力方向，1~3表示x,y.z向受力，4~6表示剪切力方向
如q1表示法向矢量為x的兩個(gè)面產(chǎn)生的電荷
受x向（拉）力作用后在z方向產(chǎn)生電荷的表達(dá)式：
受z向力作用后在z方向產(chǎn)生電荷的表達(dá)式：

壓電式傳感器壓電分析

石英的晶體結(jié)構(gòu)為六方晶體系，化學(xué)式為SiO2。
定義：
x：兩平行柱面內(nèi)夾角等分線，垂直此軸壓電效應(yīng)最強(qiáng),稱為電軸。
y ：垂直于平行柱面，在電場(chǎng)作用下變形最大，稱為機(jī)械軸。
z ：無(wú)壓電效應(yīng)，中心軸，也稱光軸。
當(dāng)在電軸方向施加作用力時(shí), 在與電軸 x 垂直的平面上將產(chǎn)生電荷, 其大小為Qx = d11 Fx。
式中: d11——x方向受力的壓電系數(shù)
Fx——作用力
若在同一切片上, 沿機(jī)械軸y方向施加作用力Fy, 則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷qy, 其大小為Qy=d12Fy a/b
式中: d12——y軸方向受力的壓電系數(shù)
d12=-d11

a、 b——晶體切片長(zhǎng)度和厚度
（1）當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí), 正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上, 形成三個(gè)互成120°夾角的電偶極矩P1、 P2、P3, P1+P2+P3 = 0, 所以晶體表面不產(chǎn)生電荷, 即呈中性。
（2）當(dāng)石英晶體受到沿x軸方向的壓力作用時(shí), 晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形,正負(fù)電荷重心不再重合,在x軸的正方向出現(xiàn)正電荷, 電偶極矩在y方向上的分量仍為零, 不出現(xiàn)電荷。
（3）當(dāng)晶體受到沿y軸方向的壓力作用時(shí),在x軸上出現(xiàn)電荷, 它的極性為x軸正向?yàn)樨?fù)電荷。在y軸方向上不出現(xiàn)電荷。
（4）如果沿z軸方向施加作用力, 因?yàn)榫w在x方向和y方向所產(chǎn)生的形變完全相同, 所以正負(fù)電荷重心保持重合, 電偶極矩矢量和等于零。這表明沿z軸方向施加作用力, 晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

壓電式傳感器壓電陶瓷

單晶體與壓電陶瓷的比較：
相同點(diǎn)：都是具有壓電效應(yīng)的壓電材料。
不同點(diǎn)：石英的優(yōu)點(diǎn)是它的介電和壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好，適合做工作溫度范圍很寬的傳感器。極化后的壓電陶瓷，當(dāng)受外力變形后，由于電極矩的重新定位而產(chǎn)生電荷，壓電陶瓷的壓電系數(shù)是石英的幾十倍甚至幾百倍，但穩(wěn)定性不如石英好，居里點(diǎn)也低。  

壓電式傳感器等效電路

1、電容效應(yīng)等效原理
1）壓電式傳感器結(jié)構(gòu)
..在壓電晶片的兩個(gè)工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍，形成金屬膜，構(gòu)成兩個(gè)電極， 如圖所示。
2）等效電容量
當(dāng)壓電傳感器受到沿其敏感軸向的外力作用時(shí)，就在兩電極上產(chǎn)生極性相反的電荷，因此它相當(dāng)于一個(gè)電荷源（靜電發(fā)生器）。由于壓電晶體是絕緣體，當(dāng)它的兩極表面聚集電荷時(shí)，它又相當(dāng)于一個(gè)電容器，其電容量為沿 x 軸方向加力產(chǎn)生縱向壓電效應(yīng),沿 y 軸加力產(chǎn)生橫向壓電效應(yīng),沿相對(duì)兩平面加力產(chǎn)生切向壓 電效應(yīng)。
3）等效電壓
當(dāng)壓電晶體受外力作用時(shí)，兩表面產(chǎn)生等量的正、負(fù)電荷 Q ，可求出其開路電壓（負(fù)載電阻為無(wú)窮大時(shí)）
1）、壓電式傳感器既可等效為電荷源又可等效為電容器，其等效電路可認(rèn)為是二者的并聯(lián)，如下圖（a）所示；也可認(rèn)為是一個(gè)電壓源和一個(gè)電容器串聯(lián)，如下圖（b）所示。其中 Ra為壓電元件的漏電阻.
2）、壓電式傳感器測(cè)試系統(tǒng)等效電路
壓電式傳感器工作時(shí)，需與二次儀表配套使用，此時(shí)的等效電路如下圖所示。圖中Cc為傳感器電纜電容，Ri為放大器輸入電阻，Ci為輸入電容。